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清華紫光太陽能熱水器的聚氨酯保溫層知識分析
 

太陽熱水器的聚氨酯保溫層

      太陽熱水器保溫層一般采用較高密度的聚氨酯泡沫自由式充填。這種充填方式通常易出現(xiàn)的問題是泡沫體與箱體外殼脫粘(外殼為硬質(zhì)的不銹鋼板)或因泡沫體的"收縮"導(dǎo)致外殼變形(外殼為軟質(zhì)的軋花鋁板)。 一般認(rèn)為出現(xiàn)這種問題的原因是:聚氨酯泡沫體的形成過程是反應(yīng)成型,反應(yīng)放熱使發(fā)泡劑膨脹產(chǎn)生一定的壓力(泡孔內(nèi)壓),當(dāng)泡孔壁支撐作用與泡孔內(nèi)外壓差達(dá)平衡時,泡沫體不再生長(即達(dá)到所謂的"升脹時間")。而后隨著熱量的散發(fā)泡沫體溫度降低,泡孔內(nèi)壓力降低,這時產(chǎn)生的內(nèi)外壓差對泡孔壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響:若泡孔壁結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定、足以支撐壓差,則不會發(fā)生明顯的變形;若泡孔壁結(jié)構(gòu)未達(dá)到穩(wěn)定,則會在內(nèi)外壓差作用下發(fā)生"收縮"。泡沫停止生長后直到泡沫體冷卻、不再發(fā)生形變的過程,稱為泡沫體的穩(wěn)定期。在這一過程中的"收縮"不同于通常意義上所講的縮泡,幾乎在所有的自由泡起發(fā)、成型中它都存在,只是收縮程度大小不同(可以稱之為聚氨酯泡沫的成型收縮率),一般在2%以下,嚴(yán)重時可達(dá)5%以上甚至可達(dá)20%。 從理論上講,讓泡沫體生長停止后泡孔結(jié)構(gòu)立即達(dá)到穩(wěn)定是解決該問題的佳辦法。而事實(shí)上,這種情況對于目前聚氨酯行業(yè)中所使用的原料來說是不可能徹底解決的(即成型收縮率不會為0),而只能依賴現(xiàn)使用的材料通過適當(dāng)?shù)慕M合或采取一定的工藝手段來盡量減小泡沫穩(wěn)定過程中的收縮程度。

    在理論與實(shí)踐的結(jié)合中,得出在不改變用料工藝的前提下,要減小收縮程度有三條方案可供參考(即聚醚組合料配制材料選擇方案):

    1.用高初始強(qiáng)度、高羥值、高官能度的聚醚多元醇做骨架。這樣在泡沫體形成之初泡孔壁即有一個較為強(qiáng)硬的骨架,來抵抗因泡沫體冷卻造成的泡孔內(nèi)外壓差,減小收縮程度。在濟(jì)南某太陽熱水器試用的幾種料中,用量較多時聚醚835(剛性鏈節(jié)比重大,初始強(qiáng)度高)效果較好而4110聚醚(柔性鏈節(jié)含量大)效果不佳,就可以證明這一方案的可行性。適應(yīng)這一要求的聚醚除835外,還有635聚醚可以適用。

    2.用催化劑、高活性胺醚、交聯(lián)劑等使泡沫體快速固化,目的也是希望在泡沫體停止生長時孔壁結(jié)構(gòu)已穩(wěn)定不再收縮、變形。較方案來說,本方案是采用"外力"來使泡沫硬性快速固化,這會造成泡沫體的酥、脆性,使其耐沖擊性能下降;從另一個角度講,"快速固化"必是快速反應(yīng)的結(jié)果,使得發(fā)泡過程中物料會有一個較高的沖擊力,對太陽熱水器薄弱的內(nèi)膽外殼具有沖擊變形的威脅,同時快速反應(yīng)也易帶來熱量的高度積累,溫度必高,這樣在泡沫成型中泡孔內(nèi)外壓差與孔壁支撐作用次達(dá)到平衡后,隨著熱量的散失,泡沫體溫度的下降必然會有更大的內(nèi)外壓差產(chǎn)生,對于并不太強(qiáng)硬的結(jié)構(gòu)來說,這一壓差可能會使泡沫體產(chǎn)生更大的收縮(由此需要在選擇快固化體系時必須與聚醚材料相互配合)。

    3.與第二方案相反,采用慢固化。慢反應(yīng)、慢固化帶來較低的反應(yīng)熱,產(chǎn)生較低的泡孔內(nèi)壓力,當(dāng)泡沫停止生長后,因溫度變化較小使其內(nèi)壓力幾乎不變,相應(yīng)的也就沒有了對孔壁的作用力,從而減小了收縮程度。 在料的方面還需要注意的一點(diǎn)是:聚氨酯泡沫成型過程是化學(xué)反應(yīng)成型,易受環(huán)境條件的影響,導(dǎo)致出現(xiàn)異常情況,例如冬季有時會發(fā)生泡沫的開裂現(xiàn)象,夏季偶爾會出現(xiàn)集熱管管口部位缺料現(xiàn)象等,這就要求在配料的時候不能墨守成規(guī),死抱一個配方應(yīng)付所有問題,而應(yīng)從根本處著手找到應(yīng)作的變化去避免這些異?,F(xiàn)象的發(fā)生。

    對于聚氨酯泡沫保溫層來說,成型過程的操作工藝對收縮的影響也是相當(dāng)大的。因此在原料確定的情況下,也很有必要優(yōu)化用料工藝從而得到更好的發(fā)泡效果。根據(jù)實(shí)用經(jīng)驗(yàn)有以下方面可供參考:1.模壓泡充填。從用料工藝來看,解決縮、脫問題的佳方案應(yīng)是采用模壓泡填充,即在箱體外加固模具,用發(fā)泡料過量填充。這樣,在泡沫停止生長時泡孔內(nèi)外壓力分別為孔內(nèi)氣壓和孔外模壓,且模壓是隨孔內(nèi)氣壓而變化并保持與之平衡的,這樣就不存在對孔壁的影響,也就無所謂縮、脫問題了(像****太陽熱水器的生產(chǎn)中發(fā)泡過程使用模具,使其稍發(fā)軟的泡沫體也不出現(xiàn)收縮、脫落、外殼變形等情況)。而此工藝需要注意的是集熱管管口部位的處理,實(shí)質(zhì)上與材料選擇的1方案是對應(yīng)的。 2.預(yù)設(shè)保溫烘道輔助泡沫成型。類似冰箱、熱水器的做法,物料注射完畢將桶體移到40~60℃的加熱烘道中,在較高的環(huán)境溫度下快速完成后熟化過程,促使泡沫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定減少收縮發(fā)生的機(jī)會(對應(yīng)于材料選擇方案2,即快固化體系;也有縮小溫差、減小泡孔內(nèi)外壓差從而減小收縮的功效)。3.分多次注料。每次的物料量較少,不會有太多的熱量積累和泡沫內(nèi)的溫度過高,可減緩成型過程的物料沖擊力,減小后期會出現(xiàn)的泡孔內(nèi)外壓力差,由此達(dá)到避免泡沫與外殼脫離或帶動外殼變形的目的。以上可供優(yōu)化的工藝是建立在聚氨酯泡沫成型工藝的基礎(chǔ)上的,即要有合理的物料配比,有良好的混合效果。當(dāng)然工藝的更改勢必帶來一系列其他的問題,比如多次注料會加大物料用量、提高了成本。因此在實(shí)際中應(yīng)注意在利與弊的結(jié)合中尋找適合自己的操作工藝,以達(dá)到佳效果。

 
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